Rengör kärnbränsle. Hur kärnbränsle produceras (9 bilder). Principen för driften av ett kärnkraftverk

Kärnbränsle brukar förstås som uppsättningen av alla klyvbara nuklider i kärnan. De flesta av de termiska ENR som används i NPP -kraftenheter i det första driftsteget fungerar vid rent uran bränsle, men under kampanjen reproducerar de en betydande mängd sekundärt kärnbränsle- plutonium-239, som omedelbart efter bildandet ingår i processen för neutronmultiplikation i reaktorn. Därför är bränslet i sådana kärnreaktorer vid någon kampanjens ögonblick bör övervägas åtminstone en uppsättning av tre klyvbara komponenter: 235 U, 238 U och 239 Pu. Uran-235 och plutonium-239 delas av neutroner av alla energier i reaktorspektrumet, och 238 U, som redan nämnts, bara snabb övergränsning(med E > 1.1 MeV)neutroner.

Det främsta kännetecknet för urankärnbränsle är dess första berikningen (x), vilket förstås som andelen (eller andelen) uran-235-kärnor bland alla urankärnor. Och eftersom mer än 99,99% av uran består av två isotoper - 235 U och 238 U, är anrikningsvärdet:

Naturlig uranmetall innehåller cirka 0,714% av 235 U -kärnor, och mer än 99,286% är 238 U (andra isotoper av uran: 233 U, 234 U, 236 U och 237 U finns i naturligt uran i så obetydliga mängder att de kanske inte accepteras i uppmärksamhet).

Om bränslet inte är färskt (bestrålat - SNF), kännetecknas det av ytterligare en parameter - utbränningsdjup.

Kärnbränsleär en dyr sak. Bryta uranmalm, erhålla naturlig uranmetall, berika det med 235 U -isotopen, göra en bränslesammansättning, sintra den till pellets och göra dem färdiga, göra bränsleelement och bränslesammansättningar - allt detta är mycket komplexa tekniska processer som kräver stort material och energi kostar. Det är klart att det skulle vara mycket oklokt att slänga in en ganska stor mängd oförbränt kärnbränsle på en radioaktiv avfallskyrkogård.

Förbrukat (IRRADERAT) bränsle riktas till regeneration där bränslekomponenterna separeras från de klyvningsprodukter som ackumuleras under operationen genom en kedja av komplexa tekniska operationer, berikas på nytt med 235 U-isotopen och ingår i bränslecykeln igen. Observera att regenerering av kärnbränsle inte är mindre komplicerat och dyrt än tillverkning av "färskt" bränsle.

Det är därför det är mycket viktigt att under kampanjen så mycket av det laddade bränslet som möjligt brinner ut och så lite som möjligt återstår för regenerering. Det finns två huvudsakliga egenskaper som mäter bränsleförbrukningens effektivitet i kraftreaktorer.

a) Bränsleförbränning är fraktionen (eller procentsatsen) av det utbrända huvudbränslet (235 U) från dess ursprungliga mängd.

Utbränningshastigheten anges med bokstaven z och i enlighet med definitionen är lika med:

Med hjälp av elementära substitutioner är det lätt att visa att graden av utbrändhet när som helst i kampanjen t- ett värde som står i direkt proportion till värdet av energiproduktion W (t), om vi inte tar hänsyn till den del av den genererade energin, som erhålls som ett resultat av klyvning av plutoniumkärnor.

Av (15.3.1) följer det

Effektiviteten av att använda huvudbränslet i reaktorn under kärnkörningen kan bedömas utifrån siffrorna för den maximala uppbränningen (dvs. uppbränningen vid slutet av körningen).

För RBMK-1000 reaktorer z max = 0,35 ¸ 0,37, och för vattenkylda reaktorer (VVER-440, VVER-1000) z max = 0,30 ¸ 0,33.

I praktiken kan graden av utbrändhet mätas i%.

b) Utbränningsdjupär energiproduktionen i kampanjens ögonblick, per massenhet av det ursprungligen laddade uranet.

Här kommer det om allt uran(235 U + 238 U) laddas in i kärnan innan kampanjen startar. Om vi ​​betecknar värdet av uppbränningsdjupet b, sedan i enlighet med definitionen

Utbränningsdjupet mäts vanligtvis i MW dag / t, MW dag / kg

eller GW dag / t.

Följande figurer ger en uppfattning om djupet av bränsleförbränning:

* för RBMK-1000 reaktorer b max => 20 MW. dag / kg;

* för reaktorer av VVER-typ 1000 b max => 40 ¸ 50 MW. dag / kg.

Kärnkraftsreaktorer använder låganrikat uran (berikat till 1,8 ¸ 5,2%), i reaktorerna i sjötransportkärnkraftverk är den ursprungliga anrikningen av kärnbränsle 21 ¸ 45%, och i installationer med flytande metallreaktorer används kärnbränsle med en berikning på upp till 90%. Användningen av bränsle med låg anrikning vid kärnkraftverk förklaras av ekonomiska överväganden: tekniken för produktion av anrikat bränsle är komplex, energikrävande, kräver komplex och skrymmande utrustning och är därför en dyr teknik.

Uranmetall är termiskt instabil, utsatt för fasomvandlingar vid relativt låga temperaturer och är kemiskt instabil, och därför oacceptabel som bränsle kraftreaktorer... Därför används uran i reaktorer inte i rent metallisk form, utan i form av kemiska (eller metallurgiska) föreningar med andra kemiska element. Dessa föreningar kallas bränsle kompositioner.

De vanligaste bränslekompositionerna inom reaktorteknik:

UO 2, U 3 O 8, UC, UC 2, UN, U 3 Si, (UAl 3) Si, UBe 13. (Cu-UO 2)

Ett annat (annat) kemiskt element i bränslesammansättningen kallas bränsletunnare. I de två första av de listade bränslekompositionerna är syre flytande, i de andra två - kol, i de efterföljande, respektive kväve, kisel, aluminium med kisel och beryllium.

De grundläggande kraven för en kondensator är desamma som för en moderator i en reaktor: den måste ha en hög elastisk spridande mikrosektion och möjligen en lägre mikrosektion för absorption av termiska och resonansneutroner.

Den vanligaste bränslesammansättningen i kraftreaktorer i kärnkraftverk är urandioxid(UO 2) och dess tunnare - syre - uppfyller alla ovanstående krav .

Smältpunkt för dioxid (2800 o C) och dess höga termiska stabilitet gör det möjligt att ha hög temperatur bränsle med tillåten driftstemperatur upp till 2200 o C.

Ett kärnkraftverk (NPP) är ett komplex av tekniska strukturer som är utformade för att generera elektrisk energi genom att använda den energi som frigörs under en kontrollerad kärnreaktion.

Uran används som ett vanligt bränsle för kärnkraftverk. Klyvningsreaktionen utförs i huvudblocket i ett kärnkraftverk - en kärnreaktor.

Reaktorn är monterad i ett stålhölje, konstruerat för högt tryck - upp till 1,6 x 107 Pa, eller 160 atmosfärer.
Huvuddelarna i VVER-1000 är:

1. Den aktiva zonen, där kärnbränslet finns, en kedjereaktion av kärnklyvning fortsätter och energi frigörs.
2. En neutronreflektor som omger kärnan.
3. Värmebärare.
4. Skyddskontrollsystem (CPS).
5. Strålskydd.

Värme i reaktorn frigörs på grund av kedjereaktionen av kärnbränslesplittring under påverkan av termiska neutroner. I det här fallet bildas kärnklyvningsprodukter, bland vilka det finns både fasta ämnen och gaser - xenon, krypton. Klyvningsprodukter är mycket radioaktiva, så bränslet (urandioxid tabletter) placeras i förseglade zirkoniumrör - bränslestavar (bränsleelement). Dessa rör kombineras i flera bitar sida vid sida för att bilda en enda bränslepatron. För att styra och skydda kärnreaktorn används styrstavar som kan flyttas längs hela höjden av kärnan. Stavarna är gjorda av ämnen som starkt absorberar neutroner, såsom bor eller kadmium. Med djup insättning av stavarna blir en kedjereaktion omöjlig, eftersom neutroner absorberas starkt och avlägsnas från reaktionszonen. Stavarna flyttas på distans från kontrollpanelen. Med en liten rörelse av stavarna kommer kedjeprocessen antingen att utvecklas eller fuktas. På detta sätt regleras reaktorns effekt.

Stationsschemat är dubbelkretsat. Den första, radioaktiva slingan består av en VVER-1000-reaktor och fyra cirkulerande kylslingor. Den andra kretsen, icke-radioaktiv, inkluderar en ånggenerator och en vattenförsörjningsenhet och en turbinenhet med en kapacitet på 1030 MW. Det primära kylvätskan är icke-kokande vatten med hög renhet under ett tryck på 16 MPa med tillsats av borsyralösning-en stark neutronabsorberare som används för att reglera reaktoreffekten.

1. Huvudcirkulationspumparna pumpar vatten genom reaktorkärnan, där det värms till en temperatur på 320 grader på grund av värmen som släpps ut under en kärnreaktion.
2. Det uppvärmda kylvätskan avger sin värme till vattnet i sekundärkretsen (arbetsvätska) och förångar det i ånggeneratorn.
3. Det kylda kylmediet kommer in i reaktorn igen.
4. Ånggeneratorn producerar mättad ånga vid ett tryck på 6,4 MPa, som matas till ångturbinen.
5. Turbinen driver generatorns rotor.
6. Avloppsånga kondenseras i kondensorn och matas tillbaka till ånggeneratorn med kondensatpumpen. För att upprätthålla ett konstant tryck i kretsen installeras en ångvolymskompensator.
7. Ångens kondensationsvärme avlägsnas från kondensorn genom cirkulerande vatten, som tillförs av en matningspump från kyldammen.
8. Både reaktorns första och andra slinga är hermetiskt förslutna. Detta säkerställer reaktorns säkerhet för personal och allmänhet.

Om det är omöjligt att använda en stor mängd vatten för ångkondens, kan vattnet i stället för att använda en behållare kylas i speciella kyltorn (kyltorn).

Reaktorns driftsäkerhet och miljövänlighet säkerställs genom strikt överensstämmelse med bestämmelserna (driftregler) och ett stort antal kontrollutrustningar. Allt är utformat för tankeväckande och effektiv förvaltning reaktor.
Nödskydd av en kärnreaktor - en uppsättning enheter som är utformade för att snabbt stoppa en kärnreaktion i reaktorkärnan.

Aktivt nödskydd utlöses automatiskt när en av parametrarna i en kärnreaktor når ett värde som kan leda till en olycka. Sådana parametrar kan vara: temperatur, tryck och flödeshastighet för kylvätskan, nivå och effektökning.

Aktiverande element i nödskydd är i de flesta fall stavar med ett ämne som absorberar neutroner väl (bor eller kadmium). Ibland, för att stänga av reaktorn, injiceras en vätskeabsorberare i kylvätskekretsen.

Förutom aktivt skydd innehåller många moderna mönster också passiva skyddselement. Exempelvis inkluderar moderna versioner av VVER -reaktorer Emergency Core Cooling System (ECCS) - specialtankar med borsyra ovanför reaktorn. I händelse av en maximal konstruktionsbaserad olycka (bristning av reaktorns primära kylslinga), släcks innehållet i dessa tankar genom tyngdkraften inuti reaktorkärnan och kärnkedjereaktionen av en stor mängd borinnehållande material som absorberar neutroner väl.

Enligt "Regler för kärnkraftssäkerhet i reaktorinstallationer av kärnkraftverk" måste minst ett av de planerade avstängningssystemen i reaktorn utföra funktionen som nödskydd (EP). Nödskydd måste ha minst två oberoende grupper av arbetsorgan. På en signal från AZ bör AZ: s arbetsorgan aktiveras från alla arbets- eller mellanlägen.
AZ -utrustning bör bestå av minst två oberoende uppsättningar.

Varje uppsättning kärnskyddsutrustning måste vara utformad på ett sådant sätt att i området för variationer i neutronflödestätheten från 7% till 120% av den nominella, tillhandahålls skydd:
1. Genom neutronflödets densitet - minst tre oberoende kanaler;
2. Enligt ökningstakten för neutronflödestätheten - minst tre oberoende kanaler.

Varje uppsättning reaktorskyddsutrustning måste vara utformad på ett sådant sätt att nödskydd tillhandahålls av minst tre oberoende kanaler för varje teknisk parameter för vilken skydd krävs för hela ändringsområdet för de tekniska parametrar som ställs in i reaktorns konstruktion växt (RP).

Styrkommandona för varje uppsättning för AZ -ställdonen måste överföras via minst två kanaler. Vid avaktivering av en kanal i någon av AZ -utrustningarna utan att inaktivera detta kit ett larm bör genereras automatiskt från drift för denna kanal.

Nödskydd måste utföras åtminstone i följande fall:
1. När du når kärnbörvärdet för neutronflödestätheten.
2. När kärnbörvärdet uppnås med ökningstakten i neutronflödestätheten.
3. Vid spänningsavbrott i någon uppsättning automatisk skyddsutrustning och strömförsörjningsbussar i styr- och skyddssystemet som inte tas ur drift.
4. Vid avbrott i två av de tre skyddskanalerna när det gäller neutronflödestätheten eller neutronflödets stigningshastighet i någon uppsättning kärnskyddsutrustning som inte tas ur drift.
5. När AZ -inställningarna nås med de tekniska parametrarna, enligt vilka det är nödvändigt att utföra skyddet.
6. Vid aktivering av AZ från nyckeln från blockstyrpunkten (BPU) eller reservkontrollpunkten (RPU).

Materialet utarbetades av internetutgåvan av www.rian.ru baserat på information från RIA Novosti och öppna källor

Förbrukat kärnbränsle är uran som har arbetat i en kärnreaktor och innehåller radioaktiva klyvningsprodukter. Därför kallas det också bestrålat eller utbränt kärnbränsle.

Hur skiljer sig använt kärnbränsle från radioaktivt avfall (RW)? Först och främst är det faktum att använt kärnbränsle en värdefull produkt som innehåller 2 användbara komponenter - oförbränt uran och transuraniska element. Dessutom innehåller klyvningsprodukter radionuklider (radioaktiva isotoper) som framgångsrikt kan användas inom industri, medicin och vetenskaplig forskning.

Efter att ha tagits bort från reaktorn behåller använt kärnbränsle (SNF) radioaktivitet och avger värme. Därför hålls sådant bränsle under en tid i pooler under vatten för att avlägsna värme och skydda det från joniserande strålning. Nästa steg kan vara:

• slutförvaring - slutförande av en öppen bränslecykel som görs i USA, Kanada och Sverige.
• upparbetning av använt kärnbränsle för vidare användning - stängd bränslecykel. Den slutna bränslecykelvägen valdes av Ryssland, Storbritannien, Frankrike och Japan.

Förbrukat kärnbränsle lagras initialt direkt i reaktorutrymmet. Sedan flyttas den till en annan plats i speciella "torrlager" -lager. I den stängda bränslecykeln för moderna lättvattenreaktorer färdas bränsle exakt samma väg. Urangruvor och fabriker går uran igenom alla stadier av omvandling och anrikning för att tillverka reaktorbränsle.Efter att bränslet har tagits bort från reaktorn bearbetas bränslestavarna i raffinaderier där de krossas och löses i syra. Efter särskild kemisk behandling isoleras två värdefulla produkter från det använda bränslet: plutonium och oanvänt uran. I detta fall återstår cirka 3% av bränslet som högaktivt avfall. Efter bituminisering, betong eller vitrifiering är dessa mycket radioaktiva material föremål för långsiktig förvaring.

Förbrukat kärnbränsle innehåller cirka 1% plutonium. Detta är ett mycket bra kärnbränsle som inte behöver någon anrikningsprocess. Plutonium kan blandas med utarmat uran för att producera blandat oxidbränsle eller MOX -bränsle, som levereras som färska bränslepatroner för lastning i reaktorer. Den kan användas för laddning i reaktorer. Det återvunna uranet kan returneras för ytterligare anrikning eller levereras som färskt bränsle för driftreaktorer. En sluten bränslecykel är ett mer effektivt system för maximal användning av uran utan ytterligare gruvdrift vid gruvor (i energienheter är besparingarna cirka 30%). Och även om industrin omedelbart godkände detta tillvägagångssätt, har sådana system för upparbetning av använt kärnbränsle ännu inte blivit utbredd.

En av anledningarna till en sådan ofullständig användning av urans potential är att de flesta av de befintliga industriella reaktorerna tillhör de så kallade "lättvatten" LWR-reaktorerna. De är bra på många sätt, men de är inte utformade för att pressa all energi ur bränslet till den sista watten. Det finns dock andra typer av reaktorer - de så kallade "snabba" (snabba neutronreaktorerna), som kan "omarbeta" använt bränsle med extraktion av mycket mer energi.

Kärnkraftverk - NPPÄr värmekraftverk. Vid kärnkraftverk används energin från kontrollerade kärnreaktioner som källa. Enhetskapaciteten för NPP -kraftenheter når 1,5 GW.

Kärnkraftverk - Kärnkraftverk - Bränslen

Som ett vanligt bränsle för kärnkraftverk används det U- uran. Klyvningsreaktionen utförs i huvudblocket i ett kärnkraftverk - en kärnreaktor. I kedjereaktionen av klyvning av kärnämne frigörs en betydande mängd termisk energi, som används för att generera el.

Kärnkraftverk - NPP - driftsprincip

Klyvning av urankärnor producerar snabba neutroner. Klyvningsgraden är en kedjereaktion, vid kärnkraftverk regleras den av moderatorer: tungt vatten eller grafit. Neutroner innehåller mycket värmeenergi. Energi kommer in i ånggeneratorn genom kylvätskan. Högtrycksånga riktas till turbingeneratorer. Den resulterande elen går till transformatorer och sedan till ställverk. En del av elen riktas för att möta de egna behoven hos ett kärnkraftverk (NPP). Kylvätskans cirkulation vid kärnkraftverk tillhandahålls av pumpar: huvud- och kondensat. Överskottsvärme från kärnkraftverket riktas till kyltorn.

Ryska kärnkraftverk - kärnkraftverk - typer av kärnreaktorer:

• RBMK - högeffekts kanalreaktor,
• VVER - tryckvattenreaktor,
• BN - snabb neutronreaktor.

Kärnkraftverk - kärnkraftverk - ekologi

Kärnkraftverk - Kärnkraftverk avger inte rökgaser till atmosfären. Det finns inget avfall i form av aska och slagg vid NPP. Problem i kärnkraftverk är överskottsvärme och lagring av radioaktivt avfall. För att skydda människor och atmosfären från radioaktiva utsläpp vid kärnkraftverk vidtas särskilda åtgärder:

• förbättra tillförlitligheten för NPP -utrustning,
• dubbelarbete av sårbara system,
• höga krav på personalens kvalifikationer,
• skydd och skydd mot yttre påverkan.

Kärnkraftverk är omgivna av en sanitär skyddszon.

Varför uran?

Mänskligheten har bundit sig hand och fot med elektriska ledningar. Vitvaror, industriutrustning, gatubelysning, vagnar, tunnelbana, elektriska tåg - alla dessa fördelar med civilisationsarbete från elnät; de blir meningslösa ”järnbitar” om strömmen av någon anledning går förlorad. Människor är dock redan så vana vid strömförsörjningens beständighet att eventuell frånkoppling orsakar missnöje och till och med obehag. Och verkligen, vad ska man göra för en person som har tappat alla enheter på en gång, inklusive de mest älskade - en TV, en dator och ett kylskåp? Det är särskilt svårt att uthärda "separation" på kvällen, när du så vill efter jobbet eller skolan, som man säger, att förlänga dagsljuset. Kommer surfplattan att spara eller telefonen, men trots allt är deras laddning inte evig. Det är ännu värre att befinna sig i en "fängelsecell", som efter mörkrets vilja kan förvandlas till en hissbil eller en tunnelbanevagn.

Varför allt detta samtal? Och till det faktum att "elektrifierad" mänskligheten behöver stabila och kraftfulla energikällor - först och främst elektricitet. Med brist på det kommer frånkopplingar från nätverket att bli irriterande frekventa och levnadsstandarden kommer att minska. För att förhindra att ett obehagligt scenario blir verklighet är det nödvändigt att bygga fler och fler nya kraftverk: den globala energiförbrukningen ökar och de befintliga kraftenheterna åldras gradvis.

Men vad kan han erbjuda för att lösa problemet modern energi främst brinnande kol och gas? Naturligtvis förstör nya gasinstallationer värdefulla kemiska råvaror eller kolblock som röker himlen. Utsläpp från värmekraftverk är förresten ett välkänt miljöproblem, men företag som utvinner fossila bränslen orsakar också miljöskador. Men dess förbrukning är enorm. Till exempel för att säkerställa driften av ett konventionellt kylskåp måste cirka hundra kilo kol eller hundratals kubikmeter naturgas brännas under året. Och det är bara en hushållsapparat, av vilka det finns många.

Förresten, hur mycket kärnbränsle behövs för att det nämnda kylskåpet ska fungera i ett helt år? Det är svårt att tro, men ... bara ett gram!

Den kolossala energiintensiteten hos kärnbränsle tillverkat av anrikat uran gör det till en värdig konkurrent till kol och gas. Faktum är att ett kärnkraftverk förbrukar hundra tusen gånger mindre bränsle än ett termiskt. Detta innebär att gruvdrift för uranbrytning är mycket mindre, vilket är viktigt för miljön. Plus - det finns inga utsläpp av växthusgaser och giftiga gaser.

Kraftenhet kärnkraftverk med en kapacitet på tusen megawatt per år förbrukar endast tre dussin ton kärnbränsle, och en termisk station med samma kapacitet kommer att kräva cirka tre miljoner ton kol eller tre miljarder kubikmeter gas. Med andra ord, för att få samma mängd el krävs antingen flera vagnar med kärnbränsle per år, eller flera tåg med kol ... per dag.

Och hur är det med förnybara energikällor? De är naturligtvis bra, men behöver fortfarande förbättras än så länge. Ta till exempel det område som stationen upptar. När det gäller vindkraftverk och solpaneler är det två storleksordningar högre än konventionella kraftverk. Till exempel, om ett kärnkraftverk (NPP) passar in i ett område på ett par kvadratkilometer, kommer en vindpark eller ett solfält med samma kapacitet att uppta flera hundra kvadratkilometer. Enkelt uttryckt är förhållandet mellan områden som i en liten by och en mycket stor stad. I öknen är denna indikator kanske inte viktig, men inom jordbruk eller skogsbruk - ännu mer.

Det bör nämnas att kärnbränsle alltid är redo att fungera, oavsett årstid, dag eller väder, medan solen i princip inte lyser på natten och vinden blåser när den vill. Dessutom kommer förnybar energi inte att vara lönsam alls på vissa områden på grund av lågt solenergiflöde eller låg genomsnittlig vindhastighet. För kärnkraftverk finns sådana problem helt enkelt inte.

Dessa fördelar med kärnkraft har bestämt uranens utmärkta roll - som kärnbränsle - för den moderna civilisationen.

Vem fick hur mycket?

I en gammal sovjetisk tecknad film löste djuren en viktig uppgift - de delade en apelsin. Som ett resultat fick alla utom vargen en välsmakande saftig kil; det grå fick nöja sig med skalet. Med andra ord fick han ingen värdefull resurs. Ur denna synvinkel är det intressant att veta hur det är med uran: har alla världens länder sina reserver, eller finns det berövade?

Faktum är att det finns mycket uran på jorden, och denna metall kan hittas nästan överallt: i jordskorpan på vår planet, i haven, till och med i människokroppen. Problemet ligger i dess "spridning", "utsmetning" över terrestriska bergarter, vilket resulterar i en låg koncentration av uran, vilket ofta är otillräckligt för organisationen av ekonomiskt lönsam industriell gruvdrift. På vissa ställen finns det dock ansamlingar med högt uraninnehåll - avlagringar. De är ojämnt fördelade respektive och uranreserverna skiljer sig från land till land. De flesta av insättningarna av detta element "flöt iväg" med Australien; dessutom hade Kazakstan, Ryssland, Kanada och länderna i Sydafrika tur. Men den här bilden är inte frusen, situationen förändras ständigt på grund av utforskningen av nya fyndigheter och utmattning av gamla.

Fördelning av beprövade uranreserver efter land (för reserver med produktionskostnader< $130/кг)

En enorm mängd uran löses upp i världshavets vatten: över fyra miljarder ton. Det verkar som att den idealiska "insättning" - jag vill inte min. Forskare har utvecklat speciella sorbenter för att utvinna uran från havsvatten tillbaka på åttiotalet av förra seklet. Varför används inte denna utmärkta metod universellt? Problemet är att metallkoncentrationen är för låg: endast cirka tre milligram kan extraheras från massor av vatten! Det är klart att sådant uran kommer att bli för dyrt. Det uppskattas att ett kilo kommer att kosta ett par tusen dollar, vilket är mycket dyrare än "land" -analogen. Men forskare är inte upprörda och uppfinner mer och mer effektiva sorbenter. Så kanske snart kommer denna produktionsmetod att bli konkurrenskraftig.

Hittills överstiger den totala mängden utforskade uranreserver med en produktionskostnad på mindre än $ 130 per kilo 5,9 miljoner ton. Är det här mycket? Rätt nog: om den totala kapaciteten för kärnkraftverk förblir på den nuvarande nivån, kommer uran att räcka i hundra år. Som jämförelse kan beprövade olje- och gasreserver tömmas på bara trettio till sextio år.

De tio bästa länderna när det gäller uranreserver på deras territorium (för reserver med produktionskostnader< $130/кг)

Man ska dock inte glömma att enligt prognoser kommer kärnkraft att utvecklas, så det är värt att tänka på hur man kan utöka sin resursbas just nu.

Ett av sätten att lösa detta problem är att hitta och snabbt utveckla nya insättningar. Av den tillgängliga informationen att döma bör det inte finnas några problem med detta: bara under de senaste åren har nya insättningar hittats i vissa länder i Afrika, Sydamerika, liksom i Sverige. Det är sant att det är omöjligt att med säkerhet säga hur lönsamt utvinningen av de upptäckta reserverna kommer att bli. Det kan hända att på grund av det låga innehållet av uran i malmen och svårigheten att utveckla avlagringar måste några av dem lämnas "för senare". Faktum är att priserna på denna metall nu är ganska låga. Ur ekonomisk synvinkel är detta inte förvånande. För det första finns det fortfarande insättningar av relativt lätt återvinningsbara, och därför billigt uran i världen - det kommer in på marknaden och "slår ner" priset. För det andra, efter Fukushima -olyckan justerade vissa länder sina planer för byggandet av nya kärnkraftsenheter, och Japan stoppade alla sina kärnkraftverk helt och hållet - efterfrågan minskade, vilket gjorde uran ännu billigare. Men det här är inte länge. Kina och Indien har redan kommit in i spelet och planerar ett storskaligt byggande av ett kärnkraftverk på deras territorium. Andra asiatiska länder, liksom afrikanska och sydamerikanska länder har mindre ambitiösa projekt. Till och med Japan kommer tydligen inte att kunna dela med sin kärnkraft. Därför kommer efterfrågan gradvis att återhämta sig, och i kombination med utarmningen av billiga fyndigheter kommer detta att leda till en ökning av uranpriserna. Analytiker tror att väntan inte kommer att vara lång - bara några år. Då blir det möjligt att tänka på utvecklingen av de insättningar som finns kvar "för senare".

Det är intressant att listorna över länder med de största uranreserverna och stater med den mest utvecklade kärnkraften praktiskt taget inte sammanfaller. Australien innehåller en tredjedel av världens uran "rikedom", men det finns inte ett enda kärnkraftverk på den gröna kontinenten. Kazakstan, världsledande inom tillverkning av denna metall, förbereder sig fortfarande för byggandet av flera kärnkraftsenheter. Av ekonomiska och andra skäl är afrikanska länder långt ifrån att gå med i världens "atomfamilj". Det enda kärnkraftverket på denna kontinent ligger i Sydafrika, som nyligen meddelade sin önskan att vidareutveckla kärnkraft... Men än så länge har även Sydafrika tagit en timeout.

Vad finns kvar för de "atomiska" jättarna - USA, Frankrike, Japan - och Kina och Indien, som går framåt i hälarna om deras behov är stora och katten gråter från sina egna reserver? Försök naturligtvis att få kontroll över uranfyndigheter och företag i andra länder. Denna uppgift är av strategisk karaktär, och när de löser den går staterna in i tuffa strider. Överköpt stora företag, politiska manövrer pågår, underjordiska system genomförs med mutor till rätt personer eller domarkrig. I Afrika kan och gör denna kamp - och strömmar redan ut - in i inbördeskrig och revolutioner, i hemlighet stöds av de ledande staterna som försöker omfördela sina inflytandezoner.

I detta avseende har Ryssland tur: våra kärnkraftverk har ganska anständiga egna reserver av uran, som bryts i Trans-Baikal-territoriet, Kurgan-regionen och Republiken Burjatien. Dessutom organiseras aktivt prospekteringsarbete. Det antas att fyndigheter i Transbaikalregionen, västra Sibirien, Republiken Karelen, Republiken Kalmykia och Rostovregionen har stor potential.

Dessutom äger Rosatom också utländska tillgångar - stora insatser i uranbrytningsföretag i Kazakstan, USA, Australien, och arbetar också med lovande projekt i södra Afrika. Som ett resultat, bland världens ledande företag som bedriver produktion av uran, har Rosatom med säkerhet tredje plats efter Kazatomprom (Kazakstan) och Cameco (Kanada).

Genom att studera den kemiska sammansättningen av meteoriter, varav några är av Mars -ursprung, har forskare upptäckt uran. Det är sant att dess innehåll visade sig vara mycket lägre än i terrestriska bergarter. Ja, nu är det klart varför marsmännen besöker oss på sina flygande fat.

Men på allvar tror man att uran finns i alla föremål i solsystemet. Till exempel upptäcktes det 2009 i månjorden. Omedelbart uppstod fantastiska idéer, som att bryta uran på en satellit och sedan skicka det till jorden. Ett annat alternativ är att "mata" reaktorerna i månkolonierna som ligger i närheten av fälten. Insättningarna har dock ännu inte sökts; och ur ekonomisk synpunkt verkar sådan produktion fortfarande orealiserbar. Men i framtiden - vem vet ...

Om du lider länge kommer bränslet att ta slut

Att ha uranmalmreserver är bara en del av framgången. Till skillnad från ved eller kol, som inte kräver särskilt komplex beredning innan de kommer in i ugnen, kan malmen inte helt enkelt skäras i bitar och kastas i reaktorn. För att förklara varför är det nödvändigt att nämna ett antal funktioner som finns i uran.

Ur kemisk synvinkel är detta element mycket aktivt, med andra ord tenderar det att bilda olika föreningar; Därför är att leta efter nuggets i naturen, som guld, en helt hopplös affär. Vad kallas då uranmalm? En sten som innehåller mycket små mängder uranmineraler. Det läggs ofta till: litet, men tillräckligt för att industriell gruvdrift ska godkännas av ekonomer. Till exempel anses det idag vara lämpligt att utveckla malm, vars ton bara innehåller några få kilo eller till och med hundratals gram uran. Resten är tom, onödig sten, från vilken uranmineraler ska isoleras. Men även de kan ännu inte laddas i en kärnreaktor. Faktum är att dessa mineraler oftast är oxider eller olösliga uransalter i sällskap med andra element. Några av dem kan vara av värde för branschen, och organisationen av deras tillhörande produktion kan förbättras ekonomiska indikationer... Men även om det inte finns något sådant behov måste uran fortfarande renas från föroreningar. Annars kan kärnbränsle tillverkat av "smutsigt" uran orsaka reaktorfel eller till och med en olycka.

Renat uran kan dock inte kallas kärnbränsle med fullständig säkerhet. Fångsten ligger i dess isotopiska sammansättning: per tusen uranatomer i naturen finns det bara sju atomer uran-235, vilket är nödvändigt för att en kedjesplittningsreaktion ska fortsätta. Resten är uran-238, som praktiskt taget inte klyver, och till och med absorberar neutroner. En naturlig uranreaktor kan dock startas, förutsatt att en mycket effektiv moderator som dyrt tungt vatten eller den renaste grafiten används. Endast de låter neutronerna, som bildades under klyvningen av uran-235-kärnan, sakta ner så snabbt att de hinner komma in i andra uran-235-kärnor och orsaka deras klyvning, och inte fångas i glans av uran-238. Men av ett antal skäl använder den överväldigande majoriteten av reaktorer i världen ett annat tillvägagångssätt: naturligt uran berikas med en klyvbar isotop. Med andra ord, innehållet av uran-235 atomer ökar artificiellt från sju till flera tiotals. På grund av detta snubblar neutroner oftare över dem, och det blir möjligt att använda billigare, om än mindre effektiva moderatorer, till exempel vanligt vatten.

Är anrikat uran en slutprodukt? Återigen, nej, eftersom kraftreaktorer möjliggör överföring av "kärnkraft" värme till kylvätskan som tvättar bränslet - oftast vatten. På grund av ackumulering av klyvningsprodukter blir bränslet - som det är i en driftreaktor - mycket radioaktivt. Det får under inga omständigheter tillåtas att lösas upp i vatten. För att göra detta omvandlas uran till ett kemiskt stabilt tillstånd och isoleras också från kylvätskan genom att täcka det med ett metallhölje. Resultatet är en komplex teknisk anordning som innehåller berikade uranföreningar inuti, som säkert kan kallas kärnbränsle.

Ovannämnda verksamhet - uranbrytning, dess rening och anrikning, samt tillverkning av kärnbränsle - är de inledande stadierna av den så kallade kärnbränslecykeln. Det är nödvändigt att lära känna var och en av dem mer i detalj.

Halveringstiden för uran-238 är 4,5 miljarder år, medan uran-235 bara är 700 miljoner år. Det visar sig att den klyvbara isotopen sönderfaller flera gånger snabbare än den huvudsakliga. Om du tänker efter betyder det att innehållet i uran-235 i den naturliga blandningen av isotoper tidigare var högre än nu. Till exempel, för en miljard år sedan, av tusen uranatomer, hade sexton en kärna med 235 nukleoner, för två miljarder år sedan var deras antal trettiosju och tre miljarder år innan idag - så många som åttio! I själva verket innehöll malm under de avlägsna tiderna uran, som vi nu kallar berikat uran. Och det kunde mycket väl hänt att en naturlig kärnreaktor på något område skulle ha börjat arbeta av sig själv!

Forskare är övertygade om att detta är exakt vad som hände med flera superuranrika fyndigheter av Oklo-fyndigheten, som ligger på det moderna Gabons territorium. För 1,8 miljarder år sedan började en kärnkedjereaktion spontant i dem. Det initierades av neutroner som genererades under spontan fission, och sedan fungerade en hög koncentration av uran -235 och närvaron av vatten i malmen - en neutronmoderator. Med ett ord blev reaktionen självbärande och fortsatte för att sedan intensifieras och sedan dö ut i flera hundra tusen år. Sedan "gick ut" reaktorerna - tydligen på grund av en förändring av vattenregimen.

Idag är det den enda kända naturliga kärnreaktorn. Dessutom kan sådana processer för närvarande inte starta på något område. Anledningen är ganska begriplig - det finns för lite uran -235 kvar.

Försök att gräva

Uranmalm kommer sällan upp till ytan. Oftast förekommer de på femtio meter till två kilometer djup.

Korta avlagringar utvecklas i en dagbrott eller, som det också kallas, ett stenbrott. Hårda stenar borras och sprängs, och sedan placeras de med hjälp av lastare i tippbilar och tas ut ur stenbrottet. Lösa stenar utvecklas och lastas i dumper med konventionella eller skophjulgrävare, bulldozrar används i stor utsträckning. Kraften och storleken på denna teknik förvånar fantasin: till exempel har de redan nämnda dumperna en lastkapacitet på hundra ton eller mer! Tyvärr är själva stenbrottets skala stor, vars djup kan nå trehundra meter. Efter avslutat arbete gapar han enorm grop i jordens yta, och bredvid den stiger stenar som täcker uranavlagringarna. I princip kan stenbrottet täckas med dessa soptippar genom att plantera gräs och träd ovanpå; men det kommer att bli oerhört dyrt. Därför fylls groparna gradvis med vatten och det bildas sjöar som inte är föremål för ekonomisk användning på grund av det ökade innehållet av uran i vattnet. Problem relaterade till grundvattenföroreningar kan också uppstå, så uranhålor kräver särskild uppmärksamhet.

Den öppna utvecklingen av uran håller dock gradvis på att vara ett minne blott av en helt banal anledning - fyndigheterna nära ytan är praktiskt taget över. Nu måste du hantera djupt begravda malmer. Traditionellt utvecklas de med underground (min) metod. Föreställ dig bara inte de hårda skäggiga männen med hackor som kryper längs arbetet och hugger malm. Gruvarbetarnas arbete är nu i hög grad mekaniserat. V sten som innehåller uran borras borrhål - speciella djupa hål i vilka sprängämnen läggs. Efter explosionen tas den krossade malmen med en slev av en lastare och lastbil och går längs slingrande smala gallerier till vagnarna. De fyllda vagnarna transporteras till gruvans vertikala axel av ett litet ellok, och sedan lyfts malmen upp till ytan med hjälp av en bur - ett slags hiss.

Underjordisk gruvdrift har ett antal funktioner. För det första kan det vara lönsamt endast för malm av hög kvalitet med ett högt uraninnehåll, som inte ligger djupare än två kilometer. Annars kommer kostnaderna för gruvdrift, gruvdrift och vidare bearbetning av malm att göra uran praktiskt taget "guld". För det andra är det underjordiska kungariket urangruvor ett slutet utrymme där radioaktivt damm och inte mindre radioaktivt radongas svävar. Därför utan kraftfull ventilation och speciella medel gruvarbetare kan inte göra med skydd som andningsskydd.

I både dagbrott och gruvdrift utvinns malm i form av ganska stora klumpar. När han öser upp dem med skopan på en grävmaskin eller LHD vet operatören inte om han tar malm som är rik på uranmineraler, avfall eller något däremellan. När allt kommer omkring är insättningen inte särskilt homogen i sin sammansättning, och användningen av kraftfulla maskiner tillåter inte att arbeta subtilt och graciöst. Men att skicka vidare bearbetningsstycken där det nästan inte finns uran är åtminstone orimligt! Därför sorteras malmen med hjälp av uranets huvudsakliga egenskap, genom vilken det inte är svårt att upptäcka det - radioaktivitet. Särskilda detektorer av joniserande strålning gör att både under lastning och redan i transportbehållaren kan dela malmen i flera kvaliteter beroende på intensiteten av strålningen som den avger. Avfallssten skickas till soptippar. Rik malm - till den hydrometallurgiska anläggningen. Men malm med en liten men märkbar mängd uran sorteras igen, mer noggrant. Först krossas det, dividerat med storlek, varefter bitarna dumpas på ett transportband. Ovan är det en joniserande strålningssensor, från vilken signalen skickas till automatiserat system kontroll av grindarna som sitter vid bältets ände. Sensorn är konfigurerad så att den reagerar på en radioaktiv malm som passerar under den och innehåller uranmineraler. Sedan vänds slutaren och malmen faller i en speciell malmbunker, varifrån den transporteras till den hydrometallurgiska anläggningen. I sin tur "stör" avfallsstenen inte sensorn och spjället på något sätt och faller i en annan låda - i soptippen.

Förenklat system för radiometrisk sortering av malm (moderna komplex är mycket mer komplicerade)

Det beskrivna schemat är ungefärligt, principiellt: ingenting hindrar sortering av malm hos företag med andra kända metoder. Praktiken har dock visat att de är dåligt lämpade för uranmalm. Därför har radiometrisk sortering - med strålningsdetektorer - gradvis blivit den vanliga tekniken.

I verkligheten särskiljer man vid sortering av malm också en viss mellankategori, som uranhalten inte kan hänföras till vare sig rik malm eller bergart. Med andra ord är det dyrt att skicka det till den hydrometallurgiska anläggningen (slöseri med tid och reagenser), men det är synd att skicka det till soptippen. Sådan fattig malm staplas i stora högar och hälls med svavelsyra på utomhus gradvis upplösning av uran. Den resulterande lösningen pumpas över för vidare bearbetning.

Vid den hydrometallurgiska anläggningen ska den rika malmen males ännu mer, nästan till dammtillstånd och sedan lösas upp.

Malm krossas i olika kvarnar - till exempel trumkulkvarnar: det krossade materialet och metallbollar som kanonkulor hälls i den roterande ihåliga trumman. När de snurrar träffar bollarna malmbitarna, maler dem och maler dem till pulver.

Den krossade malmen "öppnas", det vill säga delvis upplöst genom behandling med svavelsyra eller salpetersyra eller en blandning av dem. Resultatet är en uranlösning som innehåller många föroreningar. Ibland, om uranmalmen innehåller mycket naturliga karbonater, används inte syran. Annars kommer en reaktion som liknar släckningssoda med ättika att inträffa - med intensiv utsläpp av koldioxid, och reagenset kommer att slösas bort. Hur man är? Det visar sig att sådana mineraler kan "öppnas" med en soda -lösning. Som ett resultat kommer också en uranlösning att erhållas, som kommer att gå för vidare bearbetning.

Men resterna av oupplöst malm måste skickas till speciella avfallsdumpar, som inte är de mest miljövänliga anläggningarna. Det är värt att återkalla avfallsstenen som separerades under sorteringsprocessen: den staplas till soptippar. Både avfall och soptippar innehåller små mängder uran, vilket gör dem potentiellt farliga. I detta avseende uppstår frågan: är det möjligt att organisera produktionen på ett sådant sätt att den orsakar minimal skada på naturen och garanterar arbetarnas säkerhet?

Det är möjligt, och det har praktiserats länge. Produktionsmetoden i fråga kallas borehole in situ leaching. Dess väsen är att fältet "genomborras" av många brunnar. Några av dem, som kallas injektion, matas med svavelsyra, som går ner till djupet, passerar genom malmen och löser uran. Därefter tas lösningen av den värdefulla metallen från tarmen genom andra - pumpande - brunnar.

Så vad händer: inga soptippar, inga soptippar, inget damm, inga hål eller oväntade sjunkhål i marken och i slutändan - samma uranlösning? Ja. Dessutom producerar metoden för inläckning på plats mycket fattiga malmer, som är ekonomiskt olönsamma att brytas med dagbrott eller gruvmetoder. Men med en sådan uppsättning fördelar måste det finnas nackdelar! Först och främst är det inte rationellt att borra brunnar djupare än åtta hundra meter ur en kostnadssynpunkt. För det andra fungerar metoden inte i täta, icke-porösa malmer. För det tredje stör svavelsyra fortfarande grundvattnets sammansättning och beteende i fältet, även om dessa störningar "löser sig" över tiden av sig själva. Det är mycket farligare om lösningen rinner ut över ytan eller tränger in i en rondell - längs sprickor och fel - i grundvattnet. Därför övervakas processen noggrant genom borrning av kontrollbrunnar.

Underjordisk urlakning av borrhål

För att undvika de ovannämnda problemen uppfanns en "gruva" -version av underjordisk urlakning: malmblock i gruvarbetet krossas av explosioner och hälls sedan uppifrån med en urlakningslösning (svavelsyra) och tar uranlösningen underifrån genom dräneringssystem.

Under alla omständigheter är underjordisk urlakning för närvarande det säkraste sättet att utvinna uran för miljön. Detta är en av anledningarna till den direkt explosiva tillväxten av dess popularitet. Om år 2000 endast femton procent av uran brytades genom underjordisk urlakning, är denna siffra idag nästan nära femtio procent!

Underjordisk urlakning blir den ledande tekniken för uranbrytning

Vanligtvis söks uranavlagringar med joniserande strålningssensorer; närmare bestämt gammastrålning. Först flyger ett flygplan utrustat med sådana sensorer över terrängen. Han kan bara fixa en strålningsanomali - en något ökad bakgrund över fältet. Sedan sjösätts en helikopter till handling, som långsammare och mer exakt "skisserar" gränserna för det lovande området. I slutändan kommer prospektörer till detta territorium med mätinstrument och övningar. Baserat på resultaten av deras arbete kommer en karta över förekomsten av uranmalm att dras och kostnaden för gruvdrift beräknas.

Emellertid kan uranmalmfyndigheter signalera sig själva på andra sätt. Till exempel byta utseende växter som växer ovanför dem: pil-te kronblad, vanligtvis rosa, blir vita; blåbär blir gröna eller vita. Enbärens djupa rötter som växer över fyndigheten absorberar uran väl, och det ackumuleras i grenarna och nålarna. Genom att förvandla dem till aska och kontrollera uranhalten kan man förstå om det är värt att bryta kärnkraftens huvudsakliga metall i detta område.

Renlighet är nyckeln till hälsa (kärnreaktor)

Uranlösningen som erhålls under "öppnandet" av malmen eller under processen för underjordisk urlakning är inte särskilt ren. Med andra ord, förutom uran, innehåller det ett gäng kemiska element som finns i jordskorpan: natrium och kalium, kalcium och magnesium, järn, nickel och koppar - och många andra. Bli inte förvånad över bildandet av en så tjock "kompott", eftersom svavelsyra är mycket reaktiv och löser upp många naturliga ämnen; det är bra att inte all malm är hel. Men för tillverkning av kärnbränsle behövs det mest rena uranet. Om det bland uranatomerna finns orenhetsatomer här och där kan det hända att reaktorn inte startar eller, ännu värre, bryts ned. Orsakerna till sådana problem kommer att diskuteras mycket snart, men för närvarande kan vi ställa in uppgiften: att rena uran. Och det är också önskvärt att få det i fast form, bekvämt för transport. Lösningar för transport är faktiskt inte lämpliga: de "gillar" också att spilla eller sippra genom läckor.

Inom industrin löses detta problem i flera steg. Först koncentreras lösningen genom att passera den genom speciella material som samlar uran på dem - sorbenter. Det första tillfälle för rengöring dyker upp: sorbenterna väljs ut på ett sådant sätt att andra element knappast "sätter sig" på dem och förblir i lösning. Därefter tvättas uran av sorbenten, till exempel med samma svavelsyra. Denna procedur kan verka meningslös om du inte förklarar att syran för "spolning" behövs mycket mindre än volymen av den ursprungliga lösningen. Så dödar de två fåglar i en smäll: de ökar koncentrationen av uran och tar delvis bort onödiga föroreningar.

Det andra reningssteget är associerat med att erhålla fasta uranföreningar. De fälls ut från en koncentrerad lösning genom tillsats av välkända "medicinska" reagenser: ammoniak, väteperoxid och alkalier eller karbonater. Det bör noteras att uran inte fälls ut som metall; det är i allmänhet inte lätt att få i metallisk form på grund av dess höga kemiska aktivitet - detta har redan nämnts. Under verkan av de ovan nämnda regenterna sjunker olika sparsamt lösliga uranföreningar till apparatens botten. Torkade och krossade, de är ett gult pulver, som ofta kallas "gul tårta" på grund av dess uppenbara likhet med en tårta. Genom att kalcinera det vid en hög temperatur erhålls en mindre vacker blandning av uranoxider - smutsigt grönt eller till och med svart.

Gul kaka kan skickas till anrikningsanläggningar för uran

Gul kaka eller en blandning av uranoxider är praktiskt taget ofarligt ur strålningssynpunkt. Därför laddas de för transport i tvåhundra liters metallfat eller speciella behållare. Att vara på en meters avstånd från en sådan behållare är inte hälften så "skadligt" som att flyga i ett flygplan, att utsättas för kosmisk strålning. Men de flesta är inte rädda för att flyga! Så det finns ingen anledning att vara rädd för fat med gul tårta.

Vid utfällning av uranföreningar försöker de genomföra processen så att de flesta föroreningarna förblir i lösning. Men några av dem lyckas ändå "slå igenom". Det är särskilt dåligt om produkterna innehåller element som starkt absorberar neutroner - bor, kadmium, sällsynta jordartsmetaller. Även i mikrokoncentrationer kan de störa klyvningskedjereaktionen. Efter att ha tillverkat bränsle av förorenat uran kan man länge undra varför reaktorn inte vill fungera normalt.

Dessutom inkluderar oönskade föroreningar element som minskar kärnbränslets plasticitet och får det att svälla och expandera med stigande temperatur. Dessa inkluderar vanligt förekommande naturligt förekommande kisel och fosfor, samt volfram och molybden. Förresten, plasticitet brukar kallas materialets förmåga att ändra dess form och storlek utan att kollapsa. Detta är mycket viktigt för bränsle, som värms upp från insidan på grund av en kärnkedjereaktion som uppstår i det och därför genomgår termiska deformationer. Den höga temperaturen bör inte leda till överdriven expansion av uranbränslet, annars kommer det att bryta skyddsskalet och komma i kontakt med kylvätskan. Konsekvensen av sådan "kommunikation" kan vara upplösningen av radioaktiva uranfissionprodukter i ett hett kylvätska (oftast - vatten) med efterföljande spridning genom alla rörledningar och apparater. Förmodligen finns det inget behov av att förklara att detta hotar försämringen av strålningssituationen vid kraftenheten: de mottagna doserna service-personal kommer att växa betydligt.

Som man säger är det bättre att överdriva det än att missa det. Därför krävs också ett tredje - sista - reningsstadium, kallat raffinering. Uranföreningar som levereras i fat eller behållare löses i syra, nu i salpetersyra. Den resulterande lösningen bringas i kontakt med ett extraktionsmedel - en flytande organisk substans som absorberar uran, men inte föroreningar. Så, oönskade element finns kvar i lösningen, och uran går in i "organiskt material". Som ett resultat av en serie efterföljande operationer bringas det åter i form av oxider som redan har den nödvändiga "reaktor" -renheten.

Nu är allt bra, och du kan gå vidare till nästa steg - den artificiella ökningen av koncentrationen av uran -235.

Berikelsens hemligheter

I början av kapitlet nämndes det redan att i den naturliga blandningen av uranisotoper finns mycket lite klyvbart uran-235 och för mycket "lat" uran-238: det finns cirka nio hundra nittiotre atomer av den andra för sju atomer av den första. För de flesta reaktorer som för närvarande är i drift är detta inte lämpligt. De behöver bränsle, där flera tiotusentals uranatomer tillhör isotopen-235, och inte bara några få, som i naturligt uran. Och för att skapa en bomb är nästan rent uran-235 absolut nödvändigt.

Det är mycket svårt att lösa problemet med anrikning av uran, det vill säga öka innehållet i den klyvbara isotopen. Det verkar, hur så? När allt kommer omkring har kemi det bredaste utbudet av metoder för att isolera ämnen från blandningar. Det är möjligt att "plocka ut" bara några hundra gram uran från ett ton malm! Är det verkligen omöjligt att göra detsamma med isotoper: på något sätt skilja den ena från den andra? Problemet är att de kemiska egenskaperna för alla isotoper i ett visst element är desamma, eftersom de bestäms av antalet elektroner, och inte av kärnans sammansättning. Med andra ord är det omöjligt att utföra en sådan reaktion där uran-235, till exempel, skulle förbli i lösning och uran-238 utfälldes. För varje manipulation, de båda beter sig på samma sätt. På samma sätt kommer det inte att vara möjligt att kemiskt separera isotoperna av kol eller kalium - i allmänhet vilket element som helst.

Det finns en sådan parameter - graden av berikning, vilket är procentandelen (procent) uran -235 i den totala massan av uran. Till exempel är berikningsgraden för naturligt uran, där det finns sju klyvbara atomer för varje tusen atomer, 0,7%. När det gäller kärnbränsle för kärnkraftverk måste denna siffra höjas till 3-5% och för produktion av fyllning av en atombomb - upp till 90% och mer.

Hur man är? Det är nödvändigt att hitta sådana egenskaper genom vilka isotoperna - åtminstone minimalt - skulle skilja sig från varandra. Det första jag tänker på är massan av en atom. Kärnan i uran-238 är i själva verket tre neutroner mer än uran-235; därför väger den "lata" isotopen lite mer. Och eftersom massa är ett mått på tröghet, och det manifesterar sig i rörelse, är de viktigaste metoderna för urananrikning associerade med skillnader i rörelsen av dess isotoper under speciellt skapade förhållanden.

Historiskt sett var den första berikningstekniken elektromagnetisk isotopseparation. Av namnet är det tydligt att elektriska och magnetiska fält på något sätt är inblandade i processen. I denna metod accelereras faktiskt de tidigare erhållna uranjonerna av ett elektriskt fält och sjösätts i ett magnetfält. Eftersom jonerna har en laddning, i ett magnetfält börjar de "bära", vrida sig längs en båge med en viss radie. Till exempel kan vi komma ihåg separationen av uranstrålar i ett magnetfält i tre strömmar - en effekt som Rutherford upptäckte. Elektriskt laddade alfa- och betapartiklar avviker från en rak väg, medan gammastrålar inte gör det. I detta fall beror radiens båge längs vilken en laddad partikel rör sig i ett magnetfält på dess massa: ju mer den väger, desto långsammare vänder den. Det kan jämföras med att försöka passa in i en skarp sväng av två hänsynslösa förare, varav en kör bil och den andra är lastbil. Det är klart att det är mycket lättare för en personbil att göra en manöver, medan en lastbil mycket väl kan åka. Något liknande händer i ett magnetfält med snabbt rörliga uran-235 och uran-238 joner. De senare är något tyngre, har större tröghet och radien för deras rotation är något högre: på grund av detta är flödet av uranjoner uppdelat i två. Bildligt talat kan du lägga två lådor, varav en för att samla den klyvbara isotopen, uran-235, och i den andra-"onödigt" uran-238.

I ett magnetfält är banan för laddade partiklar böjd, och ju starkare desto lättare partikeln

Principen för metoden för elektromagnetisk isotopseparation: lättare joner av uran-235 rör sig i ett magnetfält längs en bana med en mindre radie jämfört med joner av uran-238

Elektromagnetisk separation är bra i nästan alla avseenden, förutom prestanda, som, som vanligt, begränsar dess industriella tillämpning. Det är därför den amerikanska Y-12-fabriken i Oak Ridge, som producerade berikat uran för Kid-bomben som släpptes på Hiroshima med elektromagnetisk separationsteknik, stängdes 1946. Det är nödvändigt att klargöra att vid Y-12 har uran, som tidigare berikats med andra, mer produktiva metoder, fått en hög anrikningsgrad. Deras förbättring har drivit den sista spiken in i kistlocket för tekniken för elektromagnetisk isotopseparation - den används inte längre i industrin.

Intressant nog är elektromagnetisk separation en mångsidig metod för att separera små mängder av isotoper i ren form. Därför har vår analog av Y-12-anläggning 418, nu känd som "Electrokhimpribor Combine" (Lesnoy, Sverdlovsk-regionen), teknik för att producera mer än tvåhundra isotoper av fyrtiosju kemiska element från litium till bly. Det här är inte bara imponerande siffror-anläggningens produkter behövs verkligen av forskare, läkare, industrimän ... Förresten, det produceras vid SU-20-anläggningen, samma som producerade uran av vapenskvalitet med en viss berikning nära 90% i början av 1950 -talet.

De första decennierna efter kriget blev en tid med aktiv ackumulering av kärnvapenarsenaler. Lösningen på detta problem hade högsta prioritet, så de ägnade inte mycket uppmärksamhet åt kostnader - det var viktigt att starta den massiva anrikningen av uran. Tyngdpunkten lades på gasdiffusion, en extremt energikrävande, men samtidigt effektiv anrikningsteknik. Dess rötter ligger inom gasteorin, som säger att vid en viss temperatur är medelhastigheten för en gasmolekyl omvänd proportionell mot dess massa: ju tyngre den är, desto långsammare rör den sig. Denna skillnad är särskilt märkbar när man rör sig längs tunna "rör", vars diameter är jämförbar med molekylens storlek. Ett illustrativt, men inte korrekt exempel, är sjösättning av pappersbåtar i en bäck: en liten båt, som bärs av en vattenström, kommer att röra sig snabbt; men om du viker ett stort kärl ur papper i storleken på en bäck kommer det att gå långsammare och ständigt vidröra bankerna. När vi återvänder till uran kan vi säga att målisotopen med 235 nukleoner i kärnan kommer att röra sig längs "röret" snabbare än uran-238. Vid utgången från den erhålls en gas berikad med en klyvbar isotop. Frågan är bara hur man förvandlar uran till gas och var man kan få ett så tunt "rör".

"Förgasning" av uran är ett obligatoriskt krav på teknik baserad på teorin om gaser. Det finns inget du kan göra åt det. Men trots allt är alla uranföreningar fasta ämnen, som är svåra att smälta, än mindre förångas. Även om du tänker efter finns det en mycket framgångsrik förening - uranhexafluorid, där uran är omgivet av sex fluoratomer. Det förvandlas snabbt till gas redan vid 56 ° C och kringgår vätskeformen. Inom fysiken kallas en sådan process vanligtvis för sublimering eller sublimering. Detta fenomen har länge varit känt, och det finns inget överraskande i det. Sublimering används till exempel av hemmafruar på landet som torkar kläder i kylan - isen avdunstar i torr luft och passerar helt enkelt genom det flytande tillståndet.

Så du kan tänka dig en uranhexafluoridmolekyl

Det visar sig att uranhexafluorid är mycket bekvämt ur teknisk synvinkel. Vid normala temperaturer är den fast och kan transporteras i speciella behållare. Den omvandlas till gas vid låg temperatur. Under ett visst tryck blir uppvärmd hexafluorid en vätska som kan pumpas genom rörledningar.

En annan lycklig omständighet är att naturligt fluor endast består av en isotop - fluor -19. Detta innebär att skillnaden i massorna av molekyler av uran-235 hexafluorid och uran-238 hexafluorid bestäms uteslutande av uranisotoper. Annars skulle separationen vara för svår eller till och med omöjlig, eftersom fluor skulle ha en överdriven effekt på molekylernas massa.

Produktionen av uranhexafluorid i Ryssland utförs genom omvandling - fluorering av olika uranföreningar, till exempel gul kaka eller en blandning av oxider som tas emot från uranbrytningsföretag. Molekylärt fluor för dessa ändamål erhålls från det naturliga mineralet fluorit. Det behandlas med svavelsyra för att bilda fluorvätesyra (fluorvätesyra), vars elektrolys ger fluor.

Det är intressant att fluorering samtidigt är det fjärde stadiet av uranrening, eftersom fluoriderna i de flesta skadliga föroreningar inte är mycket flyktiga: uran i form av hexafluorid "flyger bort" från dem till gasfasen.

Uranhexafluorid har en stor nackdel: det är frätande och giftigt. För det första, när det kommer i kontakt med vatten eller fukt i luften, frigörs giftig fluorvätesyra. För det andra är uran i sig ett allmänt cellgift som påverkar alla organ. (Intressant nog har dess toxicitet kemisk natur, och är praktiskt taget oberoende av radioaktivitet). Därför bör uranhexafluorid, som kombinerar två faror samtidigt, transporteras och förvaras i speciella metallbehållare och under vaksam övervakning. Samtidigt säkerställs befolkningens och miljön.

Så det finns gas; och hur är det med de tunna "rören"? Porösa skiljeväggar - plattor genomborrade av många mycket små porer - visade sig vara en lämplig lösning. Diametern på den senare bör vara i storleksordningen tio nanometer för att molekylerna ska passera genom dem nästan en efter en. Behovet av att tillverka skiljeväggar med porer av så liten storlek orsakade vissa svårigheter, men problemet löstes dock med hjälp av speciella metoder - sintring av nickel eller selektiv upplösning av en av metaller som utgör den bimetalliska legeringen.

Om vi ​​gör en låda med en sådan porös partition och pumpar in uranhexafluorid i den, kommer molekyler med en lätt isotop att passera genom partitionen lite snabbare. Med andra ord, bakom den kommer uranhexafluorid att anrikas något i en klyvbar isotop. Om du skickar gas till nästa låda med samma ökar graden av anrikning och så vidare. Det är sant att för att uppnå en hög grad av anrikning behövs kaskader av tusentals (!) Av lådor installerade efter varandra, kallade steg. Och hur får man uran att gå längs dessa steg? Endast genom att pumpa den med hjälp av många kompressorer. Därav nackdelarna med metoden: enorma energikostnader, behovet av att bygga miljontals kvadratmeter produktionsutrymme - verkstadens längd kan nå en kilometer - och användning av dyra material. Det är sant att allt detta täcks av en riktigt hög prestanda. Det är därför den gasformiga diffusionsanrikningstekniken länge har varit den främsta för sådana atomjättar som USA, Frankrike och Kina, som senare anslöt sig till dem. Först under de senaste åren har de påbörjat en aktiv övergång till mer ekonomisk gascentrifugeringsteknik.

Driftschema för gasformigt diffusionssteg

På 1960 -talet förbrukade Angarsk Electrolysis Chemical Plant (Irkutsk -regionen, Ryssland), som bedrev urananrikning med gasformig diffusionsteknik, cirka en procent (!) Av all el som producerades i Sovjetunionen. Energin levererades till den av Bratsk och Irkutsk HPP. Faktum är att det var den största elförbrukaren i Sovjetunionen.

I allmänhet visade den första erfarenheten att gasdiffusion kan lösa problemet, men till en för hög kostnad. Sovjetunionen, inblandat i ett vapenkapplöpning, behövde en mer effektiv och mindre energikrävande teknik för urananrikning. Det var inte så lätt för en krigssvagad stat att hänga med i USA med sin kraftfulla ekonomiska och energipotential. Påverkas bland annat av bristen på kapacitet för elproduktion i den europeiska delen av landet: det är därför anrikningsanläggningar byggdes i Sibirien, där de kunde ta emot kraft från stora vattenkraftverk. Ändå förbrukade gasformiga diffusionsanläggningar för mycket energi, vilket inte tillät en ökning av produktionen av anrikat uran. Därför var Sovjetunionen tvungen att bli en föregångare inom industriell tillämpning av en alternativ teknik - gascentrifug.

Gascentrifugering består i att snurra en trumma fylld med gasformigt uranhexafluorid med hög hastighet. Under inverkan av centrifugalkraft "pressas" den tyngre uran-238 hexafluoriden till trummans vägg, och uran-235 hexafluorid, en lättare förening, förblir vid sin axel. Med hjälp av speciella rör är det möjligt att plocka upp lätt berikat uran från trummans mitt och något utarmat uran från periferin.

Gascentrifugdriftschema

Tekniskt sett är den nyss nämnda trumman den roterande delen (rotorn) i en gascentrifug. Den snurrar oavbrutet i ett evakuerat hölje och vilar med en nål på ett trycklager av ett mycket hållbart material - korund. Valet av material är inte förvånande, eftersom rotorhastigheten kan överstiga 1500 varv per sekund - hundra gånger snabbare än tvättmaskinens trumma. En ömtålig substans tål inte en sådan påverkan. För att trycklagret inte ska slita ut och inte kollapsa hänger rotorn i ett magnetfält så att det knappt trycker på korunden med nålen. Denna teknik, liksom den höga precisionen vid tillverkning av centrifugdelar, gör att den kan rotera snabbt, men nästan tyst.

Som i fallet med gasdiffusion är en centrifug inte en krigare i fältet. För att uppnå den önskade graden av berikning och produktivitet kombineras de i stora kaskader på tiotusentals (!) Maskiner. Förenklat är varje centrifug ansluten till sina två grannar. Uranhexafluorid med reducerat uran-235-innehåll, taget från väggen i rotorns övre del, skickas till den tidigare centrifugen; och gas som är lätt berikad med uran-235, som tas från rotationsaxeln i den nedre delen av rotorn, går till nästa maskin. Således matas mer och mer anrikat uran till varje efterföljande steg tills en produkt av önskad kvalitet erhålls.

Kaskader av gaskentrifuger drar sig tillbaka i fjärran

Idag är centrifugalseparation huvudmetoden för urananrikning, eftersom denna teknik kräver cirka femtio gånger mindre elektricitet än gasformig diffusion. Dessutom är centrifuger mindre skrymmande än diffusionsenheter, vilket gör det lättare att skala upp produktionen. Centrifugeringsmetoden används i Ryssland, Storbritannien, Tyskland, Nederländerna, Japan, Kina, Indien, Pakistan, Iran; övergången till gascentrifugteknik i Frankrike och USA är praktiskt taget klar. Med andra ord finns det inget utrymme kvar för gasdiffusion.

Tack vare en lång historia av användning och förbättring är ryska gascentrifuger de bästa i världen. Under ett halvt sekel har nio generationer av höghastighetsbilar redan förändrats, som gradvis blev mer och mer kraftfulla och pålitliga. Tack vare detta klarade Sovjetunionen framgångsrikt "kärnvapenloppet" med USA, och när den viktigaste uppgiften var löst dök fri kapacitet upp. Som ett resultat har vårt land blivit världsledande, inte bara inom utveckling och produktion av gascentrifuger, utan också i tillhandahållandet av kommersiella tjänster för urananrikning.

Våra gascentrifuger:

Traditionellt har de en höjd av en halv meter till en meter, en diameter på tio till tjugo centimeter;

De är ordnade ovanför varandra i tre till sju nivåer för att spara utrymme;

De kan arbeta non-stop i upp till trettio år, rekordet är trettiotvå år.

Rotationshastigheten för rotorn i en gascentrifug är sådan att den efter ett strömavbrott kommer att rotera med tröghet i cirka två månader!

Högkonjunkturen inom gascentrifugteknik är förknippad med den aktiva utvecklingen av kärnkraft. Kärnkraftverk är kommersiella företag vinstorienterade och behöver därför billigt bränsle och därmed billig berikningsteknik. Detta krav begravde gradvis gasdiffusion.

Men gascentrifugering ska inte heller vila på lagrarna. V senare tid allt oftare kan man höra om laserberikning - en metod som har varit känd i mer än fyrtio år. Det visar sig att med hjälp av en finstämd laser kan uran-235-föreningar selektivt joniseras, det vill säga omvandlas till laddade partiklar. I detta fall joniseras inte uran-238-föreningar, förblir oladdade. De resulterande jonerna kan enkelt separeras från neutrala molekyler med kemiska eller fysiska medel, till exempel genom att locka dem med en magnet eller en laddad platta (kollektor).

Möjligt driftschema för anrikningsanläggningen för uranlaser

Tydligen är laseranrikning en mycket effektiv teknik, men dess ekonomiska indikatorer är fortfarande ett mysterium. Alla tidigare försök att gå från en laboratorieversion till en industriell användning "kraschade på klipporna" av otillräcklig produktivitet och kort livslängd på utrustningen. För närvarande görs ett nytt försök att skapa en sådan produktion i USA. Men även om det visar sig vara framgångsrikt kvarstår frågan ekonomisk effektivitet... Anrikningstjänstmarknaden kommer bara att acceptera en ny teknik om den är betydligt billigare än den befintliga. Men gascentrifuger har ännu inte nått taket för deras kapacitet. Därför förblir de omedelbara utsikterna för laseranrikning mycket vaga.

Det finns ett antal andra metoder för anrikning av uran: termisk diffusion, aerodynamisk separation, jonisk process, men de används praktiskt taget inte.

När det gäller teknik för anrikning av uran är det viktigt att komma ihåg att de öppnar vägen inte bara för kärnbränsle, utan också för bomben. Skapandet av allt mer effektiva och kompakta produktionsanläggningar innebär ett hot om spridning av kärnvapen. I princip kan teknikutvecklingen leda till en situation där bomben kommer att tillverkas av stater med mildt sagt instabila regimer eller till och med stora terrororganisationer. Och om en gasformig diffusions- eller gascentrifuganläggning är svår att bygga obemärkt, och för att starta dem kommer det att kräva import av stora volymer av karakteristiska material och utrustning, så garanterar laseranrikning praktiskt taget sekretess. I allmänhet ökar risken för den befintliga bräckliga världen.

Anrikningsanläggningar för uran producerar en berikad uranprodukt (OUP) - uranhexafluorid med erforderlig anrikningsgrad. Den placeras i speciella behållare och skickas till kärnbränslefabriker. Men samtidigt bildas utarmat uranhexafluorid (DUHF) med en berikningsgrad på 0,3% hos anrikningsföretag, vilket är lägre än naturligt uran. Med andra ord är det praktiskt taget rent uran-238. Var kommer det ifrån? I grund och botten liknar förädlingsprocessen separationen av värdefulla mineraler från bergart. DUHF är ett slags avfall som uran-235 togs ur, men inte helt. (100% separation av den klyvbara isotopen från uran-238 är ekonomiskt ofördelaktigt). Hur mycket utarmat uranhexafluorid bildas? Detta beror på graden av uranberikning som krävs. Om det till exempel är 4,3%, som i bränslet i VVER-reaktorer, av tio kilo uranhexafluorid, som har en naturlig isotopkomposition (0,7% uran-235), bara ett kilo OUP och nio kilo DUHF erhålls. I ett ord, ganska mycket. Under hela anrikningsverkets verksamhet har mer än en och en halv miljon ton DUHF samlats på sina platser i speciella behållare, varav i Ryssland - cirka sju hundra tusen ton. Det finns en annan inställning till detta ämne i världen, men den rådande uppfattningen om DUHF som en värdefull strategisk råvara (se kapitel 7).

Att tillverka - i ordets goda bemärkelse

Tillverkningen (tillverkningen) av kärnbränsle börjar med den kemiska omvandlingen av en berikad uranprodukt till urandioxid. Denna process kan utföras på två huvudsakliga sätt. Den första av dem kallas "våt" teknik och består i att lösa upp hexafluorid i vatten, utfällning av dåligt lösliga föreningar under verkan av alkali och deras kalcinering i en väteatmosfär. Den andra tekniken - "torr" - är mer att föredra, eftersom den inte producerar flytande radioaktivt avfall: uranhexafluorid bränns i en vätelåga.

I båda fallen erhålls urandioxidpulver, som pressas i små tabletter och sintras i ugnar vid en temperatur av cirka 1750 o C för att ge dem styrka, eftersom tabletterna måste "arbeta" under förhållanden med hög temperatur och strålning. Därefter bearbetas tabletterna på slipmaskiner med diamantverktyg. Detta steg är nödvändigt eftersom tablettstorleken och ytkvaliteten måste vara mycket exakt. Fel vid tillverkningen av en separat tablett kan leda till skador på bränslet i reaktorn under dess termiska expansion och som en konsekvens av att försämringen av strålningssituationen vid kärnkraftverket. Därför genomgår alla urandioxid tabletter noggrann kontroll och går sedan till en speciell låda, där maskinen placerar dem i rör gjorda av zirkonium med en liten blandning av niob.

Ett rör fyllt med pellets kallas ett bränsleelement eller kort sagt ett bränsleelement. För att avlägsna frätande gaser evakueras bränsleelementet, det vill säga luft "sugs" från röret, fylls med en inert gas - det renaste heliumet - och svetsas. Det sista steget i tillverkningen av kärnbränsle är monteringen av bränsleelement i en bränslepatron (FA) med hjälp av distansgaller. De behövs så att strukturen är stark och bränslestavarna inte vidrör varandra. Annars kan det vid kontaktpunkten brinna ut, medan bränslet kommer att exponeras och komma i kontakt med vatten, vilket är helt oönskat.

Operationssekvensen vid produktion av kärnbränsle

Distansgaller

Så, en bränsleenhet är en "bunt" av zirkoniumbränslestavar, inuti vilka det finns ett kärnbränsle - urandioxid, berikat i en klyvbar isotop. Det är nödvändigt att förtydliga detta materialval. I en kärnreaktor befinner sig bränslepatronen i förhållanden med hög temperatur och ett kraftfullt flöde av joniserande strålning, och tvättas också från utsidan av mycket varmt tryckvatten. Därför måste kärnbränsleelement ha kemikalie- och strålningsbeständighet, leda värme väl och expandera mycket svagt vid uppvärmning, annars kan det uppstå en spricka i bränsleelementets beklädnad. Uraniumdioxid och zirkonium uppfyller dessa krav. Det bör emellertid återigen erinras om att urandioxidpellets finns inuti bränslestavarna och endast kommer i kontakt med vatten genom bränslestavskåpan, men inte direkt. Direkt interaktion med kylvätskan är extremt oönskad och uppstår endast när zirkoniumskal förstörs - till exempel när sprickor uppstår i dem. I detta fall börjar de radioaktiva klyvningsprodukterna av uran som finns i kärnbränsle lösa sig i vatten, vilket leder till en ökad radioaktivitet och försämring av strålningssituationen vid kärnkraftverket. Av denna anledning är tillverkningen av kärnbränsle ett komplext och högprecisionsjobb som kräver precision och konstant övervakning.

Ur strålningssynpunkt utgör produktionen av kärnbränsle ingen särskild fara. Risken är ännu mindre än vid malmbrytning, eftersom reningsprocessen tar bort alla associerade radioaktiva ämnen från uran.

När man arbetar med berikat uran kan dock kritisk massa ackumuleras och som en följd kan en självbärande kedjereaktion uppstå, vilket redan diskuterades i kapitel 2. Detta kan uppstå som ett resultat av ett fel, brott mot reglerna för arbete, eller till och med av misstag. Totalt har sextio sådana olyckor registrerats i världen, varav trettiotre i USA och nitton i Sovjetunionen / Ryssland. Här är två exempel på inhemska incidenter.

14 juli 1961, Siberian Chemical Combine (koncentration). Bildandet av en kritisk massa till följd av ackumulering av höganrikat uranhexafluorid (22,6%) i oljan i vakuumpumpens expansionstank. Som ett resultat av strålningsutbrottet som följde med den uppkomna kedjereaktionen fick operatören en betydande dos strålning och fick strålningssjukdom, om än i en relativt mild form.

15 maj 1997 Novosibirsk anläggning av kemiska koncentrat (kärnbränsleproduktion). Bildandet av en kritisk massa till följd av ackumulering av en avsättning av starkt anrikat (90%) uran i botten av två intilliggande behållare för att samla lösningar på grund av deras deformation. Lyckligtvis var strålningsdoserna försumbara.

Vad är slutsatsen? Anrikat uran måste hanteras med största försiktighet, med beaktande av alla säkerhetskrav och, som de säger, "inklusive huvudet", det vill säga beräkna möjliga risker i förväg.

Sammanfattningsvis kan vi ge de ungefärliga parametrarna för bränslepatroner som används vid ryska kärnkraftverk med VVER-1000-reaktorer.

Bränslepelleten är en cylinder med en höjd av 9 till 12 millimeter och en diameter på 7,6 millimeter. Den består av urandioxid, vars anrikning sträcker sig från 3,3 till 5,0%.

Pellets placeras i ett bränsleelement av zirkonium innehållande 1% niob, cirka fyra meter långt och 9,1 mm i diameter. Bränsleelementets väggtjocklek är bara 0,65 mm, därför kräver den med denna längd extremt noggrann hantering. Bränsleelementet är inte helt fyllt med pellets: pelletslagrets höjd är cirka 3,5 meter och deras totala vikt är cirka 1,6 kilo, med 62 gram uran-235.

Bränslepatronen (FA) monteras från 312 bränslestavar med 12-15 distansgaller. Bränslepatronens höjd når nästan 4,6 meter och dess vikt är 760 kg. Samtidigt är massan av urandioxid cirka ett halvt ton, resten faller på zirkonium och andra metaller. Sett ovanifrån är aggregatet en sexkant med en ytstorlek på 235 millimeter. Varje enhet har 19 kanaler för reaktorstyrstavar som innehåller borkarbid, ett element som absorberar neutroner väl.

Reaktorn rymmer 163 bränslepatroner, vilket motsvarar 80 ton urandioxid, vilket är tillräckligt för 4 års reaktordrift.

Bränslepatroner för olika typer av reaktorer

Alternativ är möjliga

Så det vanligaste bränslet för kärnkraft kraftverkär pelleterad urandioxid, i vilken uran berikas med en klyvbar isotop (uran-235). Det finns dock andra typer av kärnbränsle.

Efter urandioxid är det vanligaste blandade oxidbränslet som kallas MOX -bränsle. För närvarande är huvudproduktionen MOX-bränsle, som är en blandning av uran och plutonium-239-oxider. Detta bränsle gör det möjligt att använda den överflödiga mängden vapenplutonium-239 som ackumulerats under "kärnvapenloppet" för att generera el.

Uranmetall kan också användas som kärnbränsle. Dess fördelar är hög värmeledningsförmåga och maximal koncentration av klyvbara kärnor - det finns helt enkelt inga andra element i bränslet. Samtidigt har uran som metall den sämsta strålnings-, kemikalie- och värmebeständigheten i jämförelse med dioxid, därför används den extremt sällan i sin rena form. För att förbättra parametrarna för metalliskt bränsle tillsätts lite molybden, aluminium, kisel och zirkonium till uran. Idag används uranmetall och dess legeringar endast i forskningsreaktorer.

Istället för urandioxid är det möjligt att använda uranitrid, det vill säga dess kombination med kväve. Nitridbränsle har en högre värmeledningsförmåga jämfört med dioxidbränsle och en jämförbar smältpunkt (2855 ° C). Uranitrid anses vara ett lovande bränsle för avancerade reaktorer. I vårt land ägnas nitridbränsle närmast, eftersom det är planerat att använda det i nästa generation av snabba neutronreaktorer.

Uran kan bilda föreningar med kolkarbider. Möjligheten att använda karbider som bränsle för reaktorer studerades intensivt på sextiotalet och sjuttiotalet av förra seklet. Men under den senaste perioden till den här typen bränsle återuppstod intresse i samband med utvecklingen av plattbränsleelement och mikrobränsleelement. De positiva egenskaperna hos karbider är god värmeledningsförmåga, hög smältpunkt, hög hårdhet, kemisk och termisk stabilitet, samt kompatibilitet med keramiska beläggningar, vilket är särskilt viktigt för mikrobränsle. Urankarbidbränsle kan visa sig vara det bästa alternativet för vissa typer av nästa generations reaktorer, särskilt för gaskylda snabba reaktorer.

Men fortfarande fungerar den överväldigande majoriteten av reaktorerna på jorden fortfarande på kärnbränsle tillverkat av urandioxid. Traditionens kraft, så att säga.

Rysk bränslecykel

Nu, efter att ha bekantat sig med gruv- och bearbetningsindustrins särdrag, är det värt att ta en snabb titt på historien och nuvarande tillståndet för vår inhemska bränslecykel. Vi måste naturligtvis börja med uranbrytning.

Först var uranmalm av intresse för inhemska forskare endast som en källa till radium. År 1900, professor I.A. Antipov gjorde vid ett möte i Petersburg Mineralogical Society en rapport om upptäckten av uranmineralet i prover från Fergana, från bergskedjan Tyuya-Muyun. Senare fick detta mineral namnet tyuyamunite. 1904 började prospekteringsarbetet på denna fyndighet, 1908 byggdes en pilotanläggning för bearbetning av uranmalm i S: t Petersburg och 1913 en internationell aktiebolag för utvinning av Tyuyamuyun -radium.

När den första började Världskrig, arbetet vid gruvan stannade praktiskt taget, och först 1922 skickades en expedition med åtta specialister till Tyuya-Muyun. Samma år 1922, under svåra postrevolutionära förhållanden, omgiven av Basmachis band, var det möjligt att återupprätta gruvdrift för industriell malm. Det pågick till 1936, då rikligt underjordiskt vatten på tvåhundra meters djup avbröt utvecklingen av fältet. Detta problem blev dock inte kritiskt, eftersom utvinning av radium etablerades vid "vattenfältet" vid floden Ukhta - radioaktiv metall extraherades från underjordiska saltvatten. Få människor var intresserade av uran i sig under de åren, eftersom det praktiskt taget inte användes i industrin.

En ny ökning av intresset för uranfyndigheter inträffade i början av 1940 -talet, då Sovjetunionen mötte behovet av att svara på det kärnvapenhot som USA utgör - det vill säga när behovet uppstod för att skapa inhemska kärnvapen.

Uran för den första sovjetiska atombomben samlades bokstavligen bit för bit i hela landet och därefter. År 1943 började uranbrytningen vid den lilla, med modern standard, Taboshar -gruvan i Tadzjikistan, med en kapacitet på endast 4 ton uransalter per år. Enligt memoarerna från P.Ya. Antropov, den första geologiministeren i Sovjetunionen, ”uranmalm för bearbetning längs Pamirs bergsstigar bars i säckar på åsnor och kameler. Då fanns det inga vägar eller rätt utrustning. "

1944-1945, när Europa befriades från nazisterna, fick Sovjetunionen tillgång till uranmalm från Goten-fyndigheten i Bulgarien, Jachymov-gruvorna i Tjeckoslovakien och gruvorna i tyska Sachsen. Dessutom lanserades Tyuya-Muyun-gruvan 1946 igen, men den bidrog inte särskilt till den gemensamma saken.

På 1950 -talet började Lermontovs produktionsförening "Almaz" bryta uran vid gruvorna i bergen Beshtau och Byk (Stavropol Territory). Samtidigt började utvecklingen av insättningar i södra Kazakstan och Centralasien.

Efter 1991 hamnade de flesta av de utvecklade fälten utanför Rysslands gränser, i oberoende stater. Från det ögonblicket har huvudproduktionen av uran genomförts med gruvmetoden vid Priargunsky Industrial Mining and Chemical Association (Trans-Baikal Territory). Dessutom blir två företag som använder in -situ -utlakningsteknik gradvis starkare - Khiagda (Buryatia) och Dalur (Kurgan -regionen). Produktionsanläggningar i Yakutia planeras. Det finns också lovande regioner för produktion - Transbaikal, västsibiriska, nordeuropeiska ...

När det gäller utforskade uranreserver ligger Ryssland på tredje plats i världen.

Ryska uranbrytningsföretag kontrolleras av ARMZ Uranium Holding (www.armz.ru), som ägs av Rosatom, men State Corporation har också utländska tillgångar som kontrolleras av det internationella företaget Yranium One Inc. (www.uranium1.com). Tack vare verksamheten i dessa två organisationer har Rosatom blivit den tredje största tillverkaren av uranföreningar i världen.

Situationen på den globala marknaden för naturligt uran (2014)

Stafettpinnen från gruvföretagen övertas av ett helt komplex av industrier för raffinering, omvandling och anrikning av uran, samt för tillverkning av kärnbränsle. De flesta kommer från tidsperioden och femtiotalet av förra seklet - tiden för aktiv ackumulering av kärnvapen. Idag arbetar de för en rent fredlig industri - kärnkraft, och tillhandahåller sina tjänster till utländska företag.

Det finns fyra anrikningsanläggningar i Ryssland, några av dem utför även operationer för slutrening (raffinering) och fluorering (omvandling) av uranföreningar.

Den första gasanläggningsanläggningen D-1 för gasformig diffusion av uran i Sverdlovsk-44 togs i drift i november 1949. Först måste dess produkter berikas ytterligare på SU-20-enheten i den framtida Elektrokhimpribor-anläggningen i Sverdlovsk-45 (Lesnoy), men efter ett par år började D-1 klara sig själv och började växa. Och sedan 1967 började utbytet av diffusionskaskader med centrifugkaskader. Idag, på platsen för den demonterade D -1, finns världens största urananrikningsföretag - Ural Electrochemical Plant (Novouralsk, Sverdlovsk -regionen).

År 1953 började den framtida Siberian Chemical Combine (Seversk, Tomsk Region) drift i Tomsk-7, som sedan 1973 gradvis började gå över till gascentrifugteknik. Det första berikade uranet från Angarsk Electrolysis Chemical Plant (Angarsk, Irkutsk -regionen) erhölls 1957 och utbytet av diffusionsapparater med centrifuger började 1985. Slutligen blev 1962 året för lanseringen av den elektrokemiska anläggningen i Krasnoyarsk-45 (nu Zelenogorsk, Krasnoyarsk-territoriet). Ett par år senare installerades också de första centrifugerna där.

Denna korta information återspeglar naturligtvis inte verkligheten i den svåra eran. Även om det från de hemliga, "numrerade" namnen på stängda städer och de vaga namnen på fabriker kan man förstå att Sovjetunionen noga bevarade sina anrikningshemligheter. Ändå blev platserna för de viktigaste produktionsanläggningarna kända för amerikansk underrättelse. Men den aktiva övergången till gascentrifugteknik missade hon, som man säger. Kanske var detta anledningen till en viss nöjdhet hos våra konkurrenter: utan att veta att en mer produktiv och effektiv teknik introducerades i Sovjetunionen, anslöt sig staterna till den ursprungligen valda metoden - gasdiffusion. Det är uppenbart att den nuvarande situationen spelade i händerna på Sovjetunionen och gjorde det möjligt att snabbt uppnå kärnkraftsparitet. Samtidigt gick den banbrytande utvecklingen av sovjetiska forskare och ingenjörer för att skapa högpresterande gaskentrifuger inte till spillo, vilket ledde Ryssland till en ledande position på världsmarknaden för urananrikning och centrifugproduktion.

Den berikade uranprodukten från fyra anläggningar går till maskinbyggnadsanläggningen (Elektrostal, Moskva-regionen) och Novosibirsk Chemical Concentrates-anläggningen (Novosibirsk, regionen med samma namn), där en hel cykel av kärnbränsleproduktion utförs. Zirkonium för bränslestavar och andra konstruktionsmaterial för bränslepatroner levereras av Chepetsk mekaniska anläggning (Glazov, Udmurt Republic) - det enda företaget i Ryssland och det tredje i världen som tillverkar zirkoniumprodukter.

De tillverkade bränslepatronerna levereras till ryska och utländska kärnkraftverk och används också i reaktorer för andra ändamål.

Företag för raffinering, konvertering och anrikning av uran, tillverkning av kärnbränsle, produktion av gastentrifuger samt design- och forskningsorganisationer förenas under TVEL Fuel Company of Rosatom (www.tvel.ru).

Som ett resultat av många års framgångsrikt arbete för detta företag och dess medlemsföretag toppar Rosatom med säkerhet förteckningen över de största tjänsteleverantörerna inom urananrikning (36% av världsmarknaden).

Det finns en kärnbränslebank i Angarsk - ett garantilager som kan köpas av ett land som av vilken anledning som helst berövar möjligheten att köpa uran på den fria marknaden. Från denna reserv kommer den att kunna tillverka nytt kärnbränsle och säkerställa oavbruten drift av kärnkraften.

Rosatoms andel på världens kärnbränslemarknad är 17%, på grund av vilket TVEL -bränsle laddas i var sjätte kraftreaktor på jorden. Leveranserna går till Ungern, Slovakien, Tjeckien, Bulgarien, Ukraina, Armenien, Finland, Indien och Kina.

Ovan - världsmarknaden för urananrikning (2015), nedan - världsmarknaden för bränsletillverkning (2015)

Öppet eller stängt?

Det kan noteras att detta kapitel inte behandlade frågorna om kärnbränsleproduktion för forskningsreaktorer, liksom reaktorer installerade på kärnbåtar och isbrytare. Hela diskussionen ägnades åt kärnbränsle som används i kärnkraftverk. Detta gjordes dock inte av misstag. Poängen är att det inte finns några grundläggande skillnader mellan sekvensen för bränsleproduktion för kärnkraftverk och till exempel kärnbåtar. Naturligtvis kan det finnas avvikelser i teknik i samband med specifikationerna för fartyg och forskningsreaktorer. Till exempel bör den förstnämnda vara liten i storlek och samtidigt ganska kraftfull - detta är ett helt naturligt krav för en isbrytare och dessutom för en manövrerbar atomubåt. De nödvändiga indikatorerna kan uppnås genom att öka anrikningen av uran, det vill säga genom att öka koncentrationen av klyvbara kärnor - då behövs mindre bränsle. Det är precis vad de gör: graden av anrikning av uran som används som bränsle för fartygsreaktorer ligger på cirka 40% (beroende på projektet kan det variera från 20 till 90%). I forskningsreaktorer är det vanliga kravet att uppnå maximal neutronflödeseffekt, och antalet neutroner i en reaktor är också direkt relaterat till antalet klyvbara kärnor. Därför används i anläggningar avsedda för vetenskaplig forskning ibland mycket anrikat uran med ett mycket högre innehåll av uran-235 än i bränslet i kärnkraftsreaktorer. Men anrikningstekniken förändras inte från detta.

Reaktorns konstruktion kan bestämma bränslets kemiska sammansättning och materialet från vilket bränsleelementet är tillverkat. För närvarande är den huvudsakliga kemiska formen av bränsle urandioxid. När det gäller bränsleelementen är de övervägande zirkonium, men till exempel produceras bränsleelement i rostfritt stål för BN-600 snabba neutronreaktorn. Detta beror på användningen av flytande natrium i BN -reaktorer som kylvätska, där zirkonium bryts ner (korroderar) snabbare än rostfritt stål... Icke desto mindre förblir kärnan i tillverkningen av kärnbränsle densamma - urandioxidpulver syntetiseras från den berikade uranprodukten, som pressas till pellets och sintras, pellets placeras i bränslestavar och bränslestavarna monteras i bränslepatroner (FA).

Om vi ​​överväger kärnbränslecyklerna i olika länder visar det sig till exempel att uranföreningar i Ryssland fluoreras direkt med molekylfluor under omvandlingen, och utomlands behandlas de först med fluorvätesyra och först sedan med fluor. Skillnaden kan hittas i kemisk sammansättning lösningar för "öppning" av malm, sorbenter och extraktionsmedel; parametrarna för processerna kan skilja sig ... Men schemat för kärnbränslecykeln ändras inte från detta. Den grundläggande skillnaden ligger bara mellan dess öppna (öppna) och slutna (stängda) versioner: i det första fallet, efter "arbete" vid ett kärnkraftverk, är bränslet helt enkelt isolerat från miljön i ett djupt förvar, och i det senare , bearbetas med extraktion av värdefulla komponenter (se kapitel 7). Ryssland är ett av få länder som genomför en sluten cykel.

Ett exempel på en sluten bränslecykel som anger rollen för TVEL Fuel Company of Rosatom